KR101475487B1 - 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서 - Google Patents

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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서에 관한 것이며, 본 발명의 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서는 일면에 외측으로 돌출되는 돌출부가 형성되는 제1 바디부; 상기 제1 바디부의 일면을 마주보는 면에 상기 돌출부를 수용하도록 상기 돌출부와 대향되게 내측으로 함몰되는 함몰부가 형성되는 제2 바디부; 유전율을 가지며 상기 제1 바디부와 상기 제2 바디부 사이에 마련되는 유전탄성체; 상기 돌출부와 상기 유전탄성체 사이에 마련되는 제1전극부; 상기 함몰부와 상기 유전탄성체 사이에 마련되는 제2전극부; 상기 제1 바디부 또는 상기 제2 바디부에 가해지는 외력에 따라 변동하는 상기 유전탄성체의 캐패시턴스(capacitance) 값을 상기 제1 전극부 및 상기 제2 전극부를 통해 측정하여 상기 외력의 크기 또는 방향 중 적어도 어느 하나를 측정하는 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 두 전극 사이의 배치된 유전체의 캐패시턴스 변화를 측정하는 필름형 센서를 이용하면서도 힘의 방향까지 측정할 수 있는 수 있는 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서가 제공된다.

Description

3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서{FILM SENSOR FOR MEASURING THREE-AXIS FORCE}
본 발명은 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 커패시턴스 값의 변화를 통해 하중분포 및 힘의 방향성을 측정할 수 있는 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서에 관한 것이다.
힘과 토크 등을 측정하거나 감지하는 센서 장치는 간단한 구성을 가지는 기구에서부터 정밀측정을 요구하는 측정장비의 부품 등에 사용되는 등 널리 이용되고 있다.
기존의 외력 감지센서는 스트레인 게이지를 구조물에 직교하도록 접착하여 전기저항의 변화량을 계측한 후 그 값을 적절하게 변환시켜 사용하였다. 또는, 스프링 시스템을 가진 구조물을 구성한 후에 외력에 따른 스프링의 변위량을 길이측정센서 등으로 계측하고 그것을 힘으로 변환시켜 사용하는 방법을 이용하였다.
그러나, 이러한 종래의 방법에 따른 외력 감지센서는 다단계의 센서 부착 공정을 포함한 복잡한 제조공정으로 인하여 생산 단가에서 경쟁력이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 측정도의 정밀성이 요구되는 것은 아니나, 센서의 설치 여부에 따라서 품질에 영향을 미칠 수 있는 제품에는 고가의 기존 센서가 설치되기 어려운 문제가 있었다.
이러한 센서 부착의 어려움을 해결하기 위해, 필름형 센서를 단순히 물체의 표면에 부착시켜 힘을 측정하였다. 하지만, 일반적인 필름형 센서를 이용하는 경우에는 분포하중을 측정할 수 있으나 힘이 가해지는 방향을 측정하기는 어려웠다. 즉, 필름형 센서를 통해 1축 방향의 힘밖에 측정할 수 없다는 문제점이 발생한다.
또한, 힘의 방향까지 측정하기 위해 3축 센서를 이용하는 경우에는 분포 하중에 대해서는 측정할 수 없다는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 두 전극 사이의 배치된 유전체의 캐패시턴스 변화를 측정하는 필름형 센서를 이용하면서도 힘의 방향까지 측정할 수 있는 수 있는 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 일면에 외측으로 돌출되는 돌출부가 형성되는 제1 바디부; 상기 제1 바디부의 일면을 마주보는 면에 상기 돌출부를 수용하도록 상기 돌출부와 대향되게 내측으로 함몰되는 함몰부가 형성되는 제2 바디부; 유전율을 가지며 상기 제1 바디부와 상기 제2 바디부 사이에 마련되는 유전탄성체; 상기 돌출부와 상기 유전탄성체 사이에 마련되는 제1전극부; 상기 함몰부와 상기 유전탄성체 사이에 마련되는 제2전극부; 상기 제1 바디부 또는 상기 제2 바디부에 가해지는 외력에 따라 변동하는 상기 유전탄성체의 캐패시턴스(capacitance) 값을 상기 제1 전극부 및 상기 제2 전극부를 통해 측정하여 상기 외력의 크기 또는 방향 중 적어도 어느 하나를 측정하는 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서에 의해 달성된다.
여기서, 상기 돌출부 및 상기 함몰부는 다각뿔 또는 원뿔 형상으로 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 전극부는 상기 돌출부의 외면상에 마련되는 제1 전극패턴; 제1 방향을 따라 상기 제1 전극패턴을 연결하는 제1 연결패턴;을 포함하며, 상기 제2 전극부는 상기 함몰부의 외면상에 상기 제1 전극패턴과 대향되게 마련되는 제2 전극패턴; 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 상기 제2 전극패턴을 연결하는 제2 연결패턴;을 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 돌출부 및 상기 함몰부는 사각뿔 형상으로 마련되고, 상기 제1 연결패턴은 상기 돌출부의 인접한 2개의 외면에 각각 마련된 제1 전극패턴을 통과하며, 상기 제2 연결패턴은 상기 함몰부의 인접한 2개의 외면에 각각 마련된 제2 전극패턴을 통과하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 연결패턴은 상기 서로 인접하는 돌출부를 연속적으로 연결하며, 상기 제2 연결패턴은 상기 서로 인접하는 함몰부를 연속적으로 연결하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 필름형 센서를 사용하면서도 힘의 방향성 및 분포하중을 측정할 수 있는 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서가 제공된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서를 개략적으로 도시한 분해 사시도이고,
도 2는 도 1에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 3은 도 1에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서에서 제1 바디부 및 제2 바디부를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 4는 도 1에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서에 수직항력이 작용하는 모습을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 5는 도 1에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서에 전단응력이 작용하는 모습을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 6은 도 1에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서에 분포하중이 작용하는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서를 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1 또는 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서(100)은 전극 사이에 배치된 유전체의 두께변화에 따른 커페시턴스(capacitance)를 이용하여 힘의 크기, 방향성 및 분포하중을 측정할 수 있는 것으로서, 제1 바디부(110)와 제2바디부(120)와 유전탄성체(140), 제1 전극부(150) 및 제2 전극부(160)으로 마련되는 용량변화부(130)와 측정부(170)를 포함한다.
도 3은 도 1에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서에서 제1 바디부 및 제2 바디부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 제1 바디부(110)는 후술할 제2 바디부(120)와 함께 본 발명의 일실시예에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서(100)의 메인프레임 역할을 하며, 외부로부터 외력을 인가받는 것으로서 일면에 외측으로 돌출되는 돌출부(111)가 형성된다.
상기 돌출부(111)는 복수개가 서로 이격 간격을 형성하지 않고 배치되는 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 돌출부(111)는 다각뿔 또는 원뿔 형상으로 마련되는 것이 바람직하며,본 발명의 일실시예에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서(100)에서 돌출부(111)는 밑면과 밑면을 제외한 어느 하나의 외면이 형성하는 각도가 45°를 이루는 사각뿔 형상으로 돌출되나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제2 바디부(120)는 제1 바디부(110)와 유전탄성체(140)의 두께만큼 이격되며 제1 바디부(110)에서 돌출부(111)가 형성된 면과 마주보는 면에 돌출부(111)와 대응되게 내측으로 함몰되는 함몰부(121)가 형성된다.
즉, 제1 바디부(110)와 제2바디부(120) 사이에 후술할 유전탄성체(140)를 배치하여 유전탄성체(140)를 지지한다.
상기 함몰부(121)는 제1바디부(110)에 형성된 돌출부(111)와 한 쌍을 이루는 것으로서, 외력이 인가되지 않을시 제1바디부(110)와 제2바디부(120)가 유전탄성체(140)의 두께만큼 이격되는 상태를 유지할 수 있도록 돌출부(111)의 일부가 삽입되는 것이다.
여기서, 함몰부(121)는 돌출부(111)와 대응되는 형상으로 마련되므로 돌출부(111)의 형상에 따라 다각뿔 또는 원뿔 형상으로 마련되는 것이 바람직하며, 본 발명의 일실시예에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서(100)에서 함몰부(121)는 밑면과 밑면을 제외한 어느 하나의 외면이 형성하는 각도가 45°를 이루는 사각뿔 형상으로 함몰되나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 용량변화부(130)는 제1 바디부(110) 또는 제2 바디부로부터 가해지는 외력에 의해 캐패스턴스(capacitance)가 변화하는 것으로서, 유전탄성체(140)와 제1 전극부(150)와 제2 전극부(160)를 포함한다.
상기 유전탄성체(140)는 제 1바디부(110)와 제 2바디부(120) 사이에 필름의 형태로 마련되는 것으로서, 제1 바디부(110) 또는 제2 바디부(120)에 가해지는 외력을 통해 제1 바디부(110) 또는 제2 바디부(120)의 위치 이동시 두께 변화를 통해 캐패시턴스(capacitance) 값의 변화를 유도하는 것이다.
여기서, 유전탄성체(140)로는 니트릴 부타딘엔 고무(NBR: Nitrile Butadiene Rubber) 재질이 이용될 수 있으며, 탄성력 및 복원력을 가지는 재질이라면 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 제1 바디부(110), 제2 바디부(120)와 유전탄성체(140)의 위치관계에 대하여 설명하면, 외부로부터 외력이 가해지지 않을 경우에는 제1 바디부(110)의 돌출부(111), 유전탄성체(140) 및 제2 바디부(120)의 함몰부(121) 순으로 배치되며, 제1 바디부(110)와 제2 바디부(120) 사이에 배치된 유전탄성체(140)의 두께만큼 일정한 간격으로 제1 바디부(110)와 제2 바디부(120)는 이격된다.
여기서, 제1 바디부(110)와 제2 바디부(120)가 근접하는 방향으로 외력이 가해지는 경우에는 유전탄성체(140)에서 외력이 가해지는 부분에 대응되는 부분이 압축되어 제1 바디부(110)와 제2 바디부(130)의 간격이 좁아진다.
또한, 제1 바디부(110)와 제2 바디부(120)의 이격거리를 유지하되 제1 바디부(110) 또는 제2 바디부(120)의 외면을 따라 외력이 가해지는 경우로, 전방을 향하여 외력이 가해지면 돌출부(111) 및 함몰부(121)의 전면 측에 배치된 유전탄성체(140)는 압축되고, 돌출부(111) 및 함몰부(121)의 후면 측에 배치된 유전탄성체(140)는 팽창된다.
여기서, 외력에 인가됨에 따라 유전탄성체(140)가 압축 또는 팽창될 수 있도록, 유전탄성체(140)를 가압한 상태로 제1 바디부(110) 및 제2 바디부(120)와 결합시키는 것이 바람직하다.
상기 제1 전극부(150)은 돌출부(111)와 유전탄성체(140) 사이에 마련되며, 후술할 제2 전극부(160)과 한 쌍을 이루어 유전탄성체(140)의 두께변화에 따른 캐패시턴스(capacitance) 변화를 측정하는 것으로, 제1 전극패턴(151)과 제1 연결패턴(152)을 포함한다.
상기 제1 전극패턴(151)은 후술할 제2 전극패턴(161)와 함께 유전탄성체(140)의 두께변화를 측정하는 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서(100)에서 제1 전극패턴(151)은 돌출부(111) 중에서 어느 하나인 제1 돌출부(112)의 외면에 각각 마련된다.
즉, 제1 전극패턴(151)은 시계방향을 따라 제1 돌출부 1면(112-a), 제1 돌출부 2면(112-b),제1 돌출부 3면(112-c) 및 제1 돌출부 4면(112-d)에 각각 형성되며, 삼각형 형상으로 마련되나 이에 제한되는 것은 아니며 돌출부(111)의 외면 형태에 따라 달리 선택할 수 있다.
상기 제1 연결패턴(152)는 인접하는 2개의 제1 전극패턴(151)을 연결하는 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서(100)에서는 제1 돌출부 2면(112-b)와 제1 돌출부 3면(112-c)를 연결한다.
또한, 제1 연결패턴(152)은 제1 돌출부(112)와 인접한 제2 돌출부(113)의 외면 중에서 제2 돌출부 4면(113-d) 및 제2 돌출부 1면(113-a)를 연결하도록 제1 돌출부 2면(112-b)로부터 연장된다.
즉, 제1 연결패턴(152)은 인접하게 배치된 돌출부(111)들의 인접한 2면을 연속적으로 연결한 제1 영역(153)을 벗어나지 않도록 마련된다.
여기서, 제1 연결패턴(152)은 제1 돌출부 3면(112-c)과 연결되는 밑변의 중점, 제1 돌출부 3면(112-c)과 제1 돌출부 2면(112-b)의 공통 모서리의 중점 및 제1 돌출부 2면(112-b)과 연결되는 밑변의 중점을 동시에 통과하도록 마련되는 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제2 전극부(160)는 함몰부(121)와 유전탄성체(140) 사이에 마련되며, 제1 전극부(150)과 한 쌍을 이루어 제1 전극부(150)와 제2 전극부(160) 사이에 배치된 유전탄성체(140)의 두께변화에 따른 캐패시턴스(capacitance) 변화를 측정하는 것으로 제2 전극패턴(161)과 제2 연결패턴(162)을 포함한다.
상기 제2 전극패턴(161)은 후술할 제1 전극패턴(161)와 함께 유전탄성체(140)의 두께변화를 측정하는 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서(100)에서 제2 전극패턴(161)은 함몰부(121) 중에서 어느 하나인 제2 함몰부(122)의 외면에 각각 마련된다.
상기 제2 연결패턴(162)은 인접하는 2개의 제2 전극패턴(161)을 연결하는 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서(100)에서는 상술한 제1 연결패턴(162)과 교차하는 방향으로 형성되도록 제1 함몰부 1면(122-a)와 제1 돌출부 2면(122-b)를 연결한다.
여기서, 제2 연결패턴(162)은 제2 돌출부(113)에 대응되는 제2 함몰부(123)의 외면 중에서 제2 함몰부 4면(123-d) 및 제2 함몰부 3면(123c)를 통과하도록 연장된다.
즉, 제2 연결패턴(162)은 인접하게 배치된 함몰부(121)들의 인접한 2면을 연속적으로 연결한 제2 영역(163)을 벗어나지 않도록 마련된다.
여기서, 제2 연결패턴(162)은 제1 함몰부 1면(122-a)과 연결되는 밑변의 중점, 제1 함몰부 1면(122-a)과 제1 함몰부 2면(122-b)의 공통 모서리의 중점 및 제1 함몰부 2면(122-b)과 연결되는 밑변의 중점을 동시에 통과하도록 마련되는 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 연결패턴(152)과 제2 연결패턴(162)의 배치관계를 다시 설명하면, 제1 연결패턴(152)과 제2 연결패턴(162) 중 어느 하나는 돌출부(111)의 밑변 중 어느 하나와 대략 45°, 바람직하게는 45°의 경사를 형성하는 직선상에 마련되고, 제1 연결패턴(152)과 제2 연결패턴(162) 중 다른 하나는 돌출부(111)의 밑변 중 어느 하나와 대략 -45°, 바람직하게는 -45°의 경사를 형성하는 직선상에 마련된다.
한편, 제1 전극패턴(151) 및 제2 전극패턴(161)의 재질로는 구리, 은, 니켈, 백금, 이리듐, 금, 주석, 알루미늄 및 스테인레스 또는 이들의 합금으로 형성되는 금속성 재질이 이용될 수 있으며, 전기 전도성을 가지는 비금속성의 재질도 이용될 수 있다.
상기 측정부(170)는 제1 바디부(110) 또는 제2 바디부(120)에 외력이 가해질 경우, 유전탄성체(140)의 압축 또는 팽창에 의해 변동하는 캐패시턴스(capacitance) 값을 제1 전극부(150) 및 제2 전극부(160)을 통해 측정하여 제1 바디부(110) 또는 제2 바디부(120)에 가해지는 외력의 크기 또는 방향 중 적어도 어느 하나를 측정하는 것이다.
제1 바디부(110) 또는 제2 바디부(120)에 외력이 가해지면, 제1 바디부(110) 또는 제2 바디부(120)의 위치가 상대적으로 변동되어 제1 바디부(110)와 제2 바디부(120) 사이에 배치되는 유전탄성체(140)가 압축 또는 팽창되는 변형이 발생하여, 이러한 변형에 의해 유전탄성체의 캐패시턴스(capacitance)가 변동되어 제1 전극부(150)과 제2 전극부(160) 사이에 가해지는 외력의 크기 또는 방향 중 적어도 어느 하나를 측정할 수 있으며, 이의 자세한 설명은 후술한다.
지금부터는 상술한 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서(100)의 일실시예의 작동에 대하여 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서(100)을 설명하기에 앞서, 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서(100)를 구성하는 요소의 위치관계를 재정의한다.
먼저, 제1 돌출부 1면(112-a)과 제1 함몰부 1면(122-b) 사이에 마련된 제1 전극부(150), 유전탄성체(140) 및 제2 전극부(160)을 제1 용량변화부(131)라 정의하고, 제1 돌출부 2면(112-b)와 제1 함몰부 2면(122-b) 사이에 마련된 제1 전극부(150), 유전탄성체(140) 및 제2 전극부(160)을 제2 용량변화부(132)라 정의하고, 제1 돌출부 3면(112-c)과 제1 함몰부 3면(122-c) 사이에 마련된 제1 전극부(150), 유전탄성체(140) 및 제2 전극부(160)를 제3 용량변화부(133)라 정의하고, 제1 돌출부 4면(112-d)와 제1 함몰부 4면(122-d) 사이에 마련된 제1 전극부(150), 유전탄성체(140) 및 제2 전극부(160)을 제4 용량변화부(174)라 정의한다.
한편, 제1 바디부(110)의 돌출부(111)가 돌출되는 방향을 -z 축으로 정의하여 x,y,z 좌표계를 설정한다.
여기서, 유전탄성체(140)가 압축되는 경우에는 용량변화부(130)의 캐패시턴스(capacitance)가 커지며, 팽창되는 경우에는 캐패시턴스(capacitance)가 작아진다.
- 수직항력(normal force)-
도 4는 도 1에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서에 수직항력이 작용하는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 제1 바디부(110)의 외측면에 -z축 방향의 외력이 가해지면, 제1 용량변화부(131), 제2 용량변화부(132), 제3 용량변화부(133) 및 제4 용량변화부(134)는 모두 압축된다. 다만, 외력이 가해지는 위치에 따라서 제1 용량변화부(131), 제2 용량변화부(132), 제3 용량변화부(133) 및 제4 용량변화부(134)의 캐패시턴스(capacitance)가 변화하는 정도가 상이해질 수 있다.
다만, 제1 용량변화부(131), 제2 용량변화부(132), 제3 용량변화부(133) 및 제4 용량변화부(134)의 캐패시턴스(capacitance) 변화값이 상이할 수 있으나 제1 용량변화부(131), 제2 용량변화부(132), 제3 용량변화부(133) 및 제4 용량변화부(134)의 캐패시턴스(capacitance) 변화를 통해 측정되는 각 지점에서의 힘들을 합산하면 x,y 축 방향의 힘들은 상쇄되어 0이 되고, z축 방향으로만 힘이 존재하며 이러한 z축 방향의 힘이 제1 바디부(110)의 외측면으로부터 가해지는 수직항력이 된다.
한편, 제1 바디부(110)에 가해지는 수직항력이 제1 돌출부(112)와 제1 함몰부(122) 뿐만 아니라 제1 돌출부(112)와 제1 함몰부(122)에 인접한 다른 돌출부(111) 및 함몰부(121) 까지 영향을 미친다면, 제1 용량변화부(131), 제2 용량변화부(132), 제3 용량변화부(133) 및 제4 용량변화부(134)로부터 측정되는 힘뿐만 아니라 제1 돌출부(112)와 제1 함몰부(122)에 인접한 다른 돌출부(111) 및 함몰부(121)으로부터 정의될 수 있는 다른 용량변화부(130)로부터 측정되는 힘들을 합산하여 제1 바디부(110)에 가해지는 수직항력을 측정할 수 있다.
한편, 제2 바디부(120)의 외측면으로부터 z축 방향의 외력이 가해지는 경우에도 상술한 것과 동일한 방법으로 측정할 수 있다.
- 전단응력(shear force)-
도 5는 도 1에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서에 전단응력이 작용하는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 제1 바디부(110)의 외측면에 x축으로 외력이 가해지면, 제4 용량변화부(134)의 캐패시턴스(capacitace)는 감소하고 제1 용량변화부(131) 및 제3 용량변화부(133)는 x축 방향으로 향한 면의 캐패시턴스(capacitace)는 감소하고, -x 축 방향으로 향한 면의 캐패시턴스(capacitace)는 증가하며 제2 용량변화부(132)의 캐패시턴스(capacitace)는 증가한다.
여기서, 제1 용량변화부(131), 제2 용량변화부(132), 제3 용량변화부(133) 및 제4 용량변화부(134)의 캐패시턴스(capacitace) 변화 정도는 각각 상이할 수 있으나 제1 용량변화부(131), 제2 용량변화부(132), 제3 용량변화부(133) 및 제4 용량변화부(134)에서 캐패시턴스(capacitace) 변화를 통해 측정되는 힘들을 합산하면 y, z 축 방향의 힘들은 상쇄되어 0이 되고, x축 방향으로만 힘이 존재하며 이러한 x축 방향의 힘이 제1 바디부(110)의 외측면으로부터 가해지는 전단응력이 된다.
상술한 수직항력에서와 같이, 제1 바디부(110)에 가해지는 전단응력이 제1 돌출부(112)와 제1 함몰부(122) 뿐만 아니라 제1 돌출부(112)와 제1 함몰부(122)에 인접한 다른 돌출부(111) 및 함몰부(121) 까지 영향을 미친다면, 제1 용량변화부(131), 제2 용량변화부(132), 제3 용량변화부(133) 및 제4 용량변화부(134)로부터 측정되는 힘 뿐만 아니라 제1 돌출부(112)와 제1 함몰부(122)에 인접한 다른 돌출부(111) 및 함몰부(121)으로부터 정의될 수 있는 다른 용량변화부(130)로부터 측정되는 힘들을 합산하여 제1 바디부(110)에 가해지는 전단응력을 측정할 수 있다.
한편, 제1 바디부(120)의 외측면으로부터 y축 방향 또는 x-y축 방향으로의 외력이 가해지거나 제2 바디부(120)의 외측면으로부터 x축 또는 y축 중 적어도 어느 하나의 외력이 가해지는 경우에도 상술한 것과 동일한 방법으로 측정할 수 있다.
- 수직항력(normal force) 및 전단응력(shear force)-
제1 바디부(110)의 외측면에 x축 방향 또는 y축 방향 중 적어도 어느 하나와 -z 방향의 힘이 동시에 작용하여, 제1 바디부(110)에 수직항력 및 전단응력이 동시에 작용할 수 있으며, 제1 용량변화부(131), 제2 용량변화부(132), 제3 용량변화부(133) 및 제4 용량변화부(134)는 각각 압축 또는 팽창된다.
여기서, 제1 용량변화부(131), 제2 용량변화부(132), 제3 용량변화부(133) 및 제4 용량변화부(134)로부터 측정되는 힘들을 합산하면 -z 축 방향과 x 축 방향 또는 y 축 방향 중 적어도 어느 하나의 힘이 남게 되고, -z 축 방향의 힘이 수직항력, x 축 방향 또는 y 축 방향 중 적어도 어느 하나의 힘이 전단응력이 된다.
- 분포하중-
도 6은 도 1에 따른 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서에 분포하중이 작용하는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 제1 바디부(110)의 외측면에 -z 축 방향으로 일정영역에 외력이 가해지면, 제1 용량변화부(131), 제2 용량변화부(132), 제3 용량변화부(133) 및 제4 용량변화부(134)는 각각 압축되고, 제2 돌출부(112)와 제2 함몰부(122)와 인접한 돌출부(111) 및 함몰부(121)까지 각각 압축된다.
상술한 수직항력에서 측정한 것과 동일한 방법으로 분포하중의 측정이 가능하므로 여기서는 자세한 설명은 생략한다. 다만, 하중이 가해지는 영역의 범위가 수직항력을 측정하는 경우보다 넓어진다는 점에서 차이가 발생한다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100: 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서 110: 제1 바디부
120: 제2 바디부 130: 용량변화부
140: 유전탄성체 150: 제1 전극부
160: 제2 전극부 170: 측정부

Claims (5)

  1. 일면에 외측으로 돌출되는 돌출부가 형성되는 제1 바디부;
    상기 제1 바디부의 일면을 마주보는 면에 상기 돌출부를 수용하도록 상기 돌출부와 대향되게 내측으로 함몰되는 함몰부가 형성되는 제2 바디부;
    유전율을 가지며 상기 제1 바디부와 상기 제2 바디부 사이에 마련되는 유전탄성체;
    상기 돌출부와 상기 유전탄성체 사이에 마련되는 제1전극부;
    상기 함몰부와 상기 유전탄성체 사이에 마련되는 제2전극부;
    상기 제1 바디부 또는 상기 제2 바디부에 가해지는 외력에 따라 변동하는 상기 유전탄성체의 캐패시턴스(capacitance) 값을 상기 제1 전극부 및 상기 제2 전극부를 통해 측정하여 상기 외력의 크기 또는 방향 중 적어도 어느 하나를 측정하는 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 돌출부 및 상기 함몰부는 다각뿔 또는 원뿔 형상으로 마련되는 것을 특징으로 하는 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극부는 상기 돌출부의 외면상에 마련되는 제1 전극패턴; 제1 방향을 따라 상기 제1 전극패턴을 연결하는 제1 연결패턴;을 포함하며,
    상기 제2 전극부는 상기 함몰부의 외면상에 상기 제1 전극패턴과 대향되게 마련되는 제2 전극패턴; 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 상기 제2 전극패턴을 연결하는 제2 연결패턴;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 돌출부 및 상기 함몰부는 사각뿔 형상으로 마련되고,
    상기 제1 연결패턴은 상기 돌출부의 인접한 2개의 외면에 각각 마련된 제1 전극패턴을 통과하며,
    상기 제2 연결패턴은 상기 함몰부의 인접한 2개의 외면에 각각 마련된 제2 전극패턴을 통과하는 것을 특징으로 하는 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 연결패턴은 상기 서로 인접하는 돌출부를 연속적으로 연결하며,
    상기 제2 연결패턴은 상기 서로 인접하는 함몰부를 연속적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서.
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